益阳市青山庙至泉水塘公路资江特大桥承台温控.docx
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益阳市青山庙至泉水塘公路资江特大桥承台温控
一、情况简介：
益阳市青山庙至泉水塘公路K29+220资江特大桥3-7号墩承台尺寸为29.4×7.8×3m，承台四角设置3.9×2m倒角，设计方量641.16方，标号C30泵送砼。
设计配合比为（水泥：
粉煤灰：
砂：
石：
水：
减水剂=290：
110：
708：
1165：
145：
8或303：
81：
707：
1136：
150：
7.68）。
设计考虑承台为1.5+1.5m分层浇筑，两层间隔时间7天；应施工单位要求，重新按照整体浇筑考虑承台温控措施。
大体积混凝土由于水化热作用，混凝土浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段，在这个阶段中混凝土的体积亦随之伸缩，若各块混凝土体积变化受到约束就会产生温度应力，如果该应力超过混凝土的抗裂能力，混凝土就会开裂。
针对资江特大桥承台砼特点，根据现场提供的资料及混凝土物理、热学性能的经验取值，计算了资江特大桥承台施工期内部温度场及仿真应力场，并根据计算结果制定了不出现有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施。
二、温控计算：
采用MidasCivil2010有限元程序进行温控计算。
水化热分析的建模与分析过程如下
定义一般材料特性
弹性模量、比热、热传导率
定义时间依存特性
收缩、徐变、弹性模量变化
建立结构模型
定义单元、边界条件
水化热分析控制
定义积分系数、初始温度
定义环境温度函数
对流系数函数
单元对流边界
输入外界温度的变化函数和对流系数函数之后，定义单元（节点）的对流边界
定义固定温度
对于温度不随时间变化的部分输入固定温度
定义热源函数
分配热源
根据水泥种类和实验数据定义热源函数并将其分配给相应单元
管冷
考虑管冷时，输入管冷相关数据
定义施工阶段
定义各施工阶段对应的单元和边界条件
运行分析
进行热传导分析和热应力分析
查看分析结果
查看各阶段的温度和应力
表1.材料和热特性数据
位置
特性
基础
地基
比热（kcal/kg℃）
0.25
0.2
容重（kN/m3）
25
18
热传导率（kcal/mhr℃）
2.3
1.7
对流系数
（kcal/m2hr℃）
外表面
12
12
钢模板
12
-
外界温度（℃）
10
-
浇筑温度（℃）
10
-
28天抗压强度（MPa）
30
-
强度发展系数（ACI）
a=4.5b=0.95
-
28天弹性模量（kN/m2）
3.0×107
1.0×106
热膨胀系数
1.0×10-5
1.0×10-5
泊松比
0.18
0.2
每立方米水泥量（kN/m3）
3.03
-
热源函数系数
K=31a=0.605
-
根据施工计划安排，资江特大桥承台施工时间为冬季，施工期间日均温度5~10℃之间，承台温控计算温度按照环境温度10℃考虑。
根据以往经验，采用低热水泥每10kg水泥导致的砼绝热温升约1℃，本项目的热源系数K取31℃，施工过程中注意水泥储存冷却。
砼收缩应变按照JTGD62-2004规范附录F取值计算。
根据对称性，为方便建模和加快计算速度，取承台的1/4作计算，冷却水管布置按照1/4对称考虑。
分别考虑了不安装冷却管和按照1.6m间距布置两层内径26mm冷却水管以及按照1m间距布置三层内径40mm冷却水管计算（以上计算均考虑一次浇筑）。
其核心最高温度随时间变化的情况见下表：
表2、三种工况温度时程表（℃）：
方案编号
10h
30h
50h
80h
120h
180h
备注
1
17.0
26.5
32.2
36.5
38.0
36.5
无管冷
2
16.9
26.5
31.9
35.6
35.8
32.5
2层26mm管冷
3
16.9
26.1
30.7
32.4
30.1
24.2
3层40mm管冷
承台拉应力最大值随时间变化情况见下表：
表3、三种工况拉应力时程表（Mpa）：
方案编号
10h
30h
50h
80h
120h
180h
备注
1
0.31
1.43
2.08
2.39
2.32
1.99
无管冷
2
0.31
1.30
1.83
2.02
1.89
1.33
2层26mm管冷
3
0.31
1.13
1.48
1.44
1.06
0.42
3层40mm管冷
从以上结果来看采用第三方案，按照1m间距布置40mm冷却水管，保证冷却水管3方/小时水量能够有效降低承台核心温度，同时大幅降低砼拉应力，大大减小了砼温度裂缝出现的概率。
冷却水管的通水时间从浇筑完成开始，至测量核心温度开始下降（约需通水120h），该时段内保证水管内流速0.7m/s左右，以形成紊流，保证散热；核心温度开始下降后流速减半，以控制散热速度，避免有害裂缝产生，该时段大概需要60h。
以下为方案3的30h~120h最不利时段的温度场和应力场：
30h温度场
30h应力场
50h温度场
50h应力场
80h温度场
80h应力场
120h温度场
120h应力场
根据计算，不同时间承台最大应力点的拉压应力和砼容许强度之间的关系见下图：
应力最大点的应力时程如下图：
应力最大点的温度时程如下图：
应力最大点的拉应力比见下图（均小于0.5，安全）：
下表是根据散热需要（每管3方/h）选用管径和流速的表，本项目选用40mm内径铁焊管，流速0.7m/s。
1/4承台管冷单元布置情况（单条管道长31m，采用集中供水装置通水，除开供水器总阀外，分开每根管子安装阀门）
分水器
三、注意事项：
1、优化砼配合比：
★在保证砼强度和施工性能的前提下，采用高标号水泥，掺高等级粉煤灰，降低水泥用量，减少水化热产生；
★选用低热水泥，经过储藏降温；
★选用高性能外加剂，降低水化热放热速率，抑制早期裂缝产生；
★进行砼早期抗劈裂强度试验，确保砼早期抗裂强度大于温度梯度产生的拉应力，建议28天抗劈裂强度不小于3.2MPa。
2、加强砼施工过程中的养护工作：
冬季施工大体积砼相对来说核心温度能够得到有效控制，不利之处在于外部温度过低，雨雪、大风等天气，如果不对承台表面进行及时覆盖保温，很容易造成承台早期开裂，应此需要采取包裹和覆盖措施来保证砼的养生良好，避免失水和外部温度过低，可采用防水土工布覆盖包裹的方式进行养生，具备条件的地方在外部适当采取升温措施，或者利用循环水保温。
★内外温差控制小于20℃；
★混凝土降温速率不宜大于3℃/d；
★淋注于混凝土表面的养护水温度不低于混凝土表面温度15℃；
★混凝土内部断面均温与环境温度之差小于20℃方可拆模；
★鉴于承台早期开裂缝风险较大，上表面宜采用保温保湿养护，可以减少表面干缩，保持温度稳定，采用塑料薄膜加土工布保温保湿。
3、冷却水
★冷却水流速应达到0.7m/s以上，流量应大于50L/min；
★单根冷却水管长度不宜超过70m；
★冷却水温度应当稳定，承台冷却水温不宜低于12℃。
4、控制措施及现场监测
大体积混凝土温控施工贯穿了从混凝土的原料材选择、配比设计以及混凝土的拌和、运输、浇筑、振捣到通水、养护、保温等的全过程，是一个系统工程，需要施工各个环节精心组织，紧密配合才能达到良好的控制效果，具体有如下几个方面：
★控制砼入仓温度
冬季砼施工应保证平均气温大于5℃，砼入仓温度与环境温度相差不大；
★混凝土升温阶段，为降低最高温升，可对模板及混凝土表面进行冷却，如洒水降温、避免曝晒等，但洒水水温与混凝土表面温差应不大于15℃，不造成冷冲击为宜。
5、冷却水管的埋设及控制
★水管位置
根据混凝土内部温度分布特征及控制最高温度的要求，承台埋设三层冷却水管。
冷却水管内径40mm，水管水平间距为1.0m。
★冷却水管使用及其控制
◆冷却水管使用前进行压水试验，防止管道漏水、阻水；
◆混凝土浇筑到各层冷却水管标高后开始通水，各层混凝土峰值过后尽快减缓或停止通水。
◆升温时段通水流量应使流速达到0.7m/s以上，形成紊流，降温时段，可通过水阀控制减缓通水，使流速减半，水流平缓，以层流状态冷却混凝土；
★内外温差控制
对于大体积混凝土，由于水化放热会使温度持续升高，如果气温不是过低，在升温的一段时间内应加强散热，如加大通水流量、降低通水温度等。
当混凝土处于降温阶段则要保温覆盖以降低降温速率。
为防止气温较低或突遇大风降温天气，侧壁可利用模板保温，上表面可采用塑料薄膜加土工布保温保湿，条件允许可蓄水养护，蓄水深度大于30cm。
侧壁拆模后宜尽快回填保温，利用地下恒温保护承台混凝土，避免温度裂缝。
混凝土保温充分、时间足够长，让混凝土慢慢冷却，拉应力会在砼徐变作用下部分松驰，直到温差达到允许范围，可有效控制裂缝的产生。
6、养护
混凝土养护包括湿度和温度两个方面。
结构表层混凝土的抗裂性和耐久性在很大程度上取决于施工养护过程中的温度和湿度养护。
因为水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土强度和耐久性的微结构。
目前工程界普遍存在的问题是湿养护不足，对混凝土质量影响很大。
湿养护时间应视混凝土材料的不同组成和具体环境条件而定。
特别是低水胶比又掺有大量矿物掺和料的混凝土，为减少早期自收缩，保证表层混凝土有密实的微结构，充分的潮湿养护过程尤其重要。
湿养护的同时，还要控制混凝土的温度变化。
根据季节不同采取保温和散热的综合措施，保证混凝土内表温差及气温与混凝土表面的温差在控制范围内。
暴露于大气中的新浇混凝土表面应及时进行水养护。
承台混凝土上表面因没有模板保护，应覆盖塑料薄膜和土工布保湿，人工直接洒水易造成混凝土表面干湿循环，产生干缩裂缝。
7、施工控制
为确保大体积混凝土施工质量，提高混凝土的均匀性和抗裂能力，必须加强对每一环节的施工控制，混凝土施工严格按照《公路桥涵施工技术规范》（JTJ04189）执行，并特别注意以下方面：
◆混凝土拌制配料前，各种衡器清计量部门进行计量标定，称料误差符合规范要求，严格按确定的配合比拌制。
◆混凝土按规定厚度、顺序和方向分层浇筑，在下层混凝土初凝前浇筑完上层混凝土。
◆严格按规范要求进行层间垂直施工缝处理，侧面混凝土表面可布设防裂金属网，防止表面裂缝的产生。
8、现场监测
★监测仪器及元件
温度检测仪采用JGY—100型智能化数字多回路温度巡检仪，温度传感器为PN结温度传感器。
JGY—100型智能化温度巡检仪可自动、手动巡回检测128点温度，并具有数据记录和数据掉电保护、历史记录查询、实时显示和数据报表处理等功能。
该仪器测量结果可直接用计算机采集，人机界面友好，并且测温反应灵敏、迅速，测量准确，主要性能指标：
①测温范围：
-50℃~+150℃；②工作误差：
±1℃；③分辨率：
0.1℃；④巡检点数：
64点；⑤显示方式：
LCD（240×128）；⑥功耗：
15W；⑦外形尺寸：
230×130×220；⑧重量：
≤1.5kg。
温度传感器的主要技术性能：
①测温范围：
-50℃～150℃；②工作误差：
±0.5℃；③分辨率：
0.1℃；④平均灵敏度：
-2.1mv/℃。
经数十个大型工程应用证明，以上检测仪器及元器件性能稳定、可靠，成活率高，完全能够满足工程需要。
★检测元件的布置
测点的布置按照重点突出、兼顾全局的原则。
根据结构的对称性和温度变化的一般规律，在承台沿桥中心线对称的一侧布设测点。
温度传感器在每层混凝土接近中心线上布置，该区域能够代表整个混凝土断面的最高温度分布。
承台混凝土中布设上中下3层测点（远离冷却管），分别位于长短边的1/2和对角线的角点和1/2上，共12个，另外在承台顶面20cm以下设置2个温度传感器。
★监测元件的埋设
参照《混凝土大坝安全监测技术规范》（SDJ336－89），并根据桥梁大体积混凝土的特点加以改进，由具有埋设技术和经验的专业人员操作。
为保护导线和测点不受混凝土振捣的影响，用35×35角钢及减震装置进行保护，监测元件埋设示意图见下图。
监测元件埋设示意图
★现场监测要求
各项测试项目宜在混凝土浇筑后立即进行，连续不断。
混凝土的温度监测，峰值以前每2h监测一次，峰值出现后每4h监测一次，持续5天，然后转入每天测2次，直到温度变化基本稳定，每次观测完成后及时填写记录表。
在检测混凝土温度变化的同时，还应监测气温、冷却水管进出口水温、混凝土浇筑温度等。
★温控监测流程
在混凝土浇筑前完成传感器的选购及铺设工作，并将屏蔽信号线连接到现场测试间巡检仪上，各项测试工作在砼浇筑后立即进行，连续不断。
温控监测流程图见下图。
温控监测流程图
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